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Beyond lead halide perovskites: visible light photovoltaics with phase engineered bismuth-based oxide double-perovskites, Bi2MCrO6 (M = Fe, Mn)

यह अध्ययन सौर सेल के लिए स्थिर, लेड-मुक्त विकल्पों के रूप में सॉल्यूशन-डिपोजिटेड Bi2FeCrO6 और Bi2MnCrO6 पतली फिल्मों के ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक लक्षण वर्णन की रिपोर्ट करता है, जो BMCO-आधारित डिवाइस के लिए 3.56% दक्षता प्रदर्शित करता है और भविष्य के दोष नियंत्रण के माध्यम से काफी उच्च प्रदर्शन का पूर्वानुमान लगाता है।

मूल लेखक: N P Vikas, Ranjit K Pradhan, Somdutta Mukherjee, Udai P Singh, Biplab K Patra, Ravi P Srivastava, Amritendu Roy

प्रकाशित 2026-05-06

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CC BY 4.0

मूल लेखक: N P Vikas, Ranjit K Pradhan, Somdutta Mukherjee, Udai P Singh, Biplab K Patra, Ravi P Srivastava, Amritendu Roy

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि सौर पैनलों (solar panels) की दुनिया एक हलचल भरे शहर की तरह है जो सूरज की रोशनी पकड़ने और उसे बिजली में बदलने की कोशिश कर रहा है। कुछ समय के लिए, इस शहर की पसंदीदा निर्माण सामग्री एक विशेष प्रकार की "लेड ईंट" (लेड हैलाइड पेरोव्स्काइट्स) थी। ये ईंटें रोशनी पकड़ने में अद्भुत थीं, लेकिन इनमें दो बड़ी समस्याएँ थीं: वे जहरीली थीं (जैसे लेड पॉइजनिंग) और सामान्य हवा और नमी के संपर्क में आने पर आसानी से टूट जाती थीं।

शोधकर्ताओं ने इस पेपर में तय किया कि वे इन जहरीली, नाजुक ईंटों का उपयोग करना बंद कर देंगे और कुछ नया बनाना शुरू करेंगे: बिस्मथ-आधारित ऑक्साइड डबल-पेरोव्स्काइट्स (Bismuth-based oxide double-perovskites)। इन्हें मजबूत, गैर-विषैली "बी-ईंटों" (bi-bricks) के रूप में सोचें जो बिस्मथ, आयरन, मैंगनीज और क्रोमियम जैसे तत्वों से बनी हैं, जो पृथ्वी में प्राकृतिक रूप से पाए जाते हैं।

यहाँ उनकी यात्रा का विवरण दिया गया, सरल उपमाओं का उपयोग करते हुए:

1. नए निर्माण खंड (सामग्री)

टीम ने इन नई ईंटों के दो विशिष्ट प्रकार बनाए:

BFCO: आयरन (लोहा) के साथ बना।
BMCO: मैंगनीज के साथ बना।

उन्होंने इन सामग्रियों को कांच पर बहुत पतली फिल्मों (लगभग एक मानव बाल की मोटाई, या लगभग 400 नैनोमीटर) के रूप में विकसित किया। जब उन्होंने सूक्ष्मदर्शी (microscope) के नीचे उन्हें देखा, तो उन्होंने पाया कि उनके परमाणु एक विशिष्ट, व्यवस्थित पैटर्न में व्यवस्थित थे जिसे "मोनोक्लिनिक डबल-पेरोव्स्काइट" कहा जाता है। यह लेगो (Lego) ईंटों को एक विशिष्ट, जटिल आकार में व्यवस्थित करने जैसा है जो उन्हें अच्छी तरह से एक साथ रखने में सक्षम बनाता है।

2. छिपे हुए दोष (Defects)

हालाँकि, ये ईंटें दोषरहित नहीं थीं। सामग्री के अंदर कुछ "ग्लिच" या दोष (defects) थे।

मिश्रण की गड़बड़ी: एक आदर्श ईंट में, प्रत्येक आयरन या मैंगनीज परमाणु का एक विशिष्ट विद्युत आवेश (charge) होना चाहिए। लेकिन इन फिल्मों में, कुछ परमाणुओं का चार्ज गलत था (जैसे कि +2, +3, और +4 चार्ज का मिश्रण)।
गायब टुकड़े: ऑक्सीजन परमाणु भी गायब थे, जिससे संरचना में छोटे छेद (vacancies) बन गए थे।
उपमा: कल्पना कीजिए कि एक फैक्ट्री असेंबली लाइन में कुछ कर्मचारी गलत यूनिफॉर्म पहने हुए हैं या पूरी तरह से गायब हैं। इससे ट्रैफिक जाम लग जाता है। सौर सेल में, इन "ट्रैफिक जैम" को डीप-लेवल डिफेक्ट्स (deep-level defects) कहा जाता है। ये बिजली (इलेक्ट्रॉन और होल) को बाहर निकलने से पहले ही रोक लेते हैं, जिससे सौर पैनल की दक्षता (efficiency) कम हो जाती है।

3. रोशनी पकड़ना (ऑप्टिकल गुण)

इन दोषों के बावजूद, ये सामग्रियां रोशनी पकड़ने में उत्कृष्ट थीं।

स्पंज प्रभाव: पेपर में पाया गया कि ये सामग्रियां दृश्य प्रकाश (visible light) के लिए सुपर-स्पंज की तरह हैं। ये प्रकाश को बहुत मजबूती से अवशोषित करती हैं (उच्च अवशोषण गुणांक), जिसका अर्थ है कि एक पतली परत भी सूरज की ऊर्जा को बहुत अधिक मात्रा में पकड़ सकती है।
एनर्जी गैप: उन्होंने "बैंडगैप" (बिजली के प्रवाह को शुरू करने के लिए आवश्यक ऊर्जा सीमा) की गणना की। BMCO का गैप (1.71 eV) BFCO (1.97 eV) की तुलना में थोड़ा छोटा था, जिससे यह सूरज की रोशनी की एक विस्तृत रेंज को पकड़ने में थोड़ा बेहतर था।

4. सौर सेल बनाना (डिवाइस)

टीम ने इन सामग्रियों का परीक्षण करने के लिए एक सैंडविच जैसा सौर सेल बनाया:

निचला हिस्सा (FTO/SnO2): एक कांच का आधार जिसमें एक कंडक्टिव लेयर और एक इलेक्ट्रॉन-ट्रांसपोर्ट लेयर (इलेक्ट्रॉन के लिए एक स्लाइड) है।
फिलिंग (BFCO या BMCO): नया बिस्मथ मटेरियल जो प्रकाश पकड़ने का काम करता है।
ऊपरी हिस्सा (Spiro-OMeTAD/Ag): एक लेयर जो होल्स (positive charges) को बाहर जाने में मदद करती है, जिसके ऊपर सिल्वर इलेक्ट्रोड लगा है।

5. परिणाम: वे कितने प्रभावी रहे?

जब उन्होंने सौर सेल का धूप में परीक्षण किया:

आयरन ब्रिक (BFCO): इसने काम तो किया, लेकिन बहुत अच्छा नहीं। इसने सूरज की रोशनी को लगभग 1.07% बिजली में परिवर्तित किया।
मैंगनीज ब्रिक (BMCO): इसने बेहतर प्रदर्शन किया, जिसने लगभग 3.56% सूरज की रोशनी को बिजली में बदला।

यह पूर्ण क्यों नहीं था?
शोधकर्ताओं ने देखा कि बिजली का आउटपुट कर्व "लहराता हुआ" (एक "रेड किंक" और "क्रॉसओवर" दिखाना) था। यह एक कार के इंजन की तरह है जो सुचारू रूप से चलने के बजाय अटक-अटक कर चलता है। पेपर इसका कारण ऊपर बताए गए दोषों (defects) को बताता है। सामग्री के अंदर के "ट्रैफिक जैम" ने बिजली को स्वतंत्र रूप से बहने से रोका, जिससे वोल्टेज और करंट सीमित हो गया।

6. क्रिस्टल बॉल (सिमुलेशन)

चूंकि वे लैब में तुरंत इन दोषों को ठीक नहीं कर सके, इसलिए टीम ने कंप्यूटर सिमुलेशन (SCAPS-1D) का उपयोग करके यह पूछा: "क्या होगा यदि हम इन ईंटों को दोषरहित बना सकें?"

भविदन: उन्होंने एक ऐसी स्थिति का अनुकरण (simulate) किया जहाँ उन्होंने दोषों (यानी "ट्रैफिक जैम") को बहुत कम स्तर तक कम कर दिया।
परिणाम: कंप्यूटर ने भविष्यवाणी की कि यदि वे सामग्री को साफ कर सकें और दोषों को नियंत्रित कर सकें, तो BMCO सौर सेल 3.56% दक्षता से बढ़कर लगभग 20% तक पहुँच सकता है।

सारांश

यह पेपर एक 'प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट' है। यह कहता है: "हमने एक नई, गैर-विषैली, स्थिर सामग्री (BMCO) खोज ली है जो प्रकाश को अवशोषित करने में बहुत अच्छी है। अभी, यह अंदर से थोड़ी अव्यवस्थित है, जो इसके प्रदर्शन को लगभग 3.5% तक सीमित करती है। लेकिन, यदि हम इस सामग्री के अंदरूनी हिस्से को अधिक स्वच्छ और व्यवस्थित बनाना सीख लें, तो हमारे कंप्यूटर मॉडल कहते हैं कि इसमें एक अत्यधिक कुशल सौर सेल (लगभग 20%) बनने की क्षमता है, जो आज उपयोग किए जाने वाले जहरीले लेड-आधारित विकल्पों के लिए एक सुरक्षित और स्थिर विकल्प प्रदान करता है।"

तकनीकी सारांश: लेड हैलाइड पेरोव्स्काइट्स से परे: चरण इंजीनियर (Phase Engineered) बिस्मथ-आधारित ऑक्साइड डबल-पेरोव्स्काइट्स के साथ दृश्य प्रकाश फोटोवोल्टिक्स

समस्या विवरण
लेड-आधारित हैलाइड पेरोव्स्काइट सौर कोशिकाओं की व्यावसायिक व्यवहार्यता लेड की विषाक्तता और अत्यधिक परिवेशीय अस्थिरता द्वारा बाधित है। फलस्वरूप, उच्च दक्षता और स्थिरता प्रदान करने वाले वैकल्पिक, पर्यावरण के अनुकूल पदार्थों की खोज करना एक आवश्यक आवश्यकता है। ट्रांजिशन मेटल ऑक्साइड (TMO) डबल-पेरोव्स्काइट्स अपने रासायनिक स्थायित्व, प्रचुरता, कम विषाक्तता और उच्च अवशोषण गुणांकों के कारण एक आशाजनक वर्ग प्रस्तुत करते हैं। हालांकि, एब्जॉर्बर लेयर्स के रूप में उनके अपनाने के लिए एक महत्वपूर्ण पूर्व शर्त उनका विस्तृत ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक मूल्यांकन है। जबकि बिस्मथ-आधारित ऑक्साइड डबल-पेरोव्स्काइट्स, विशेष रूप से $\text{Bi}_2\text{FeCrO}_6$ (BFCO), क्षमता प्रदर्शित कर चुके हैं, उनके विस्तृत ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक गुणों के लिए, जो फोटोवोल्टिक (PV) प्रतिक्रिया के संदर्भ में हैं, और अधिक जांच की आवश्यकता है। इसके अलावा, पतली फिल्म (thin-film) के रूप में फोटोवोल्टिक अनुप्रयोगों के लिए Mn-आधारित एनालॉग, $\text{Bi}_2\text{MnCrO}_6$ (BMCO) की क्षमता का भी बड़े पैमाने पर अन्वेषण किया जाना बाकी है।

कार्यप्रणाली (Methodology)
अध्ययन में फ्लोरीन-डोप्ड टिन ऑक्साइड (FTO) कोटेड ग्लास सबस्ट्रेट्स पर BFCO और BMCO (350–450 nm) की पतली फिल्में जमा करने के लिए सॉल्यूशन-प्रोसेसिंग मार्ग का उपयोग किया गया। फिल्मों को एसिटिक एसिड, एसिटाइलएसिटोन और 2-मेथॉक्सी इथेनॉल के विलायक मिश्रण में घुले हुए स्टोइकोमेट्रिक मेटल नाइट्रेट्स का उपयोग करके सिंथेसाइज किया गया था, जिसके बाद वांछित मोनोक्लिनिक $P2_1/c$ चरण प्राप्त करने के लिए स्पिन कोटिंग और मल्टी-स्टेप एनीलिंग की गई।

सौर सेल उपकरण FTO/ $\text{SnO}_2$ /एब्जॉर्बर (BFCO या BMCO)/Spiro-OMeTAD/Ag आर्किटेक्चर के साथ बनाए गए थे, जहाँ $\text{SnO}_2$ और Spiro-OMeTAD क्रमशः इलेक्ट्रॉन और होल ट्रांसपोर्ट लेयर्स के रूप में कार्य करते थे।

चरित्रांकन (Characterization) तकनीकों में शामिल थे:

संरचनात्मक/रूपात्मक (Structural/Morphological): पाउडर एक्स-रे विवर्तन (pXRD), फील्ड एमिशन स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोकी (FESEM), और परमाणु बल सूक्ष्मदर्शी (AFM)।
रासायनिक/दोष विश्लेषण (Chemical/Defect Analysis): तत्वों की संरचना और ऑक्सीकरण अवस्थाओं को निर्धारित करने के लिए ऊर्जा डिस्पर्सिव एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (EDS) और एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS)।
ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक (Optoelectronic): अवशोषण और बैंडगैप निर्धारण के लिए UV-विज़िबल स्पेक्ट्रोस्कोपी, बैंड-एज अलाइनमेंट के लिए अल्ट्रावॉयलेट फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (UPS), और कैरियर डेंसिटी अनुमान के लिए मोट-शोट्की (Mott-Schottky) विश्लेषण।
डिवाइस प्रदर्शन: AM 1.5G इल्यूमिनेशन के तहत करंट डेंसिटी-वोल्टेज (J-V) माप।
सिमुलेशन: विभिन्न दोष घनत्वों (defect densities), श्रृंखला प्रतिरोध (series resistance) और शंट प्रतिरोध (shunt resistance) के तहत डिवाइस प्रदर्शन को सिम्युलेट करने के लिए SCAPS-1D का उपयोग करके संख्यात्मक मॉडलिंग।

प्रमुख योगदान और परिणाम

संरचनात्मक और रूपात्मक लक्षण वर्णन:
दोनों BFCO और BMCO पतली फिल्मों ने मोनोक्लिनिक $P2_1/c$ समरूपता के साथ डबल-पेरोव्स्काइट संरचना की पुष्टि की। FESES विश्लेषण से पता चला कि BFCO फिल्मों में ग्रेन साइज के वितरण के साथ एक सघन (compact) संरचना थी, जबकि BMCO फिल्में कुछ सरंध्रता (porosity) के साथ क्लस्टर बनाने वाले अत्यंत सूक्ष्म ग्रेन्स से बनी थीं। AFM ने दोनों के लिए तुलनीय सतह खुरदरापन (RMS ~20 nm) का संकेत दिया। EDS ने आदर्श 2:1:1:6 अनुपात के करीब कैटायनिक स्टोइकोमेट्री की पुष्टि की, हालांकि मामूली अतिरिक्त बिस्मथ और ऑक्सीजन देखा गया।
दोष संरचना और ऑक्सीकरण अवस्थाएं:
XPS विश्लेषण ने ट्रांजिशन मेटल्स के मिश्रित वैलेंस अवस्थाओं को प्रकट किया। BFCO में $\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}^{3+}$ और $\text{Cr}^{2+}/\text{Cr}^{3+}/\text{Cr}^{4+}$ शामिल थे, जबकि BMCO में $\text{Mn}^{2+}/\text{Mn}^{3+}/\text{Mn}^{4+}$ और $\text{Cr}^{2+}/\text{Cr}^{3+}/\text{Cr}^{4+}$ शामिल थे। कई ऑक्सीकरण अवस्थाओं की उपस्थिति आवेशित पॉइंट डिफेक्ट्स, जैसे ऑक्सीजन रिक्तियों और एंटीसाइट डिफेक्ट्स के निर्माण का सुझाव देती है। अध्ययन प्रस्तावित करता है कि B-साइट ऑर्डरिंग (बैंडगैप ट्यूनिंग के लिए महत्वपूर्ण) प्राप्त करना चुनौतीपूर्ण है क्योंकि B-कैटायन्स के आयनिक त्रिज्या और वैलेंस समान हैं, लेकिन विशिष्ट ऑक्सीकरण अवस्था संयोजन (जैसे BMCO में $\text{Mn}^{4+}/\text{Mn}^{2+}$ और $\text{Cr}^{2+}/\text{Cr}^{4+}$ ) BFCO की तुलना में बेहतर ऑर्डरिंग को सुगम बना सकते हैं।
ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक गुण:

अवशोषण: दोनों सामग्रियों ने दृश्य रेंज में मजबूत ऑप्टिकल अवशोषण ( $10^4$ – $10^5$ $\text{cm}^{-1}$ के गुणांक $\alpha$ के साथ) प्रदर्शित किया। BMCO ने BFCO की तुलना में उच्च अवशोषण गुणांक दिखाया।
बैंडगैप: Tauc प्लॉट विश्लेषण ने BFCO के लिए 1.97 eV और BMCO के लिए 1.71 eV के इनडायरेक्ट बैंडगैप का संकेत दिया।
दोष स्तर (Defect Levels): उरबाच ऊर्जा (Urbach energy) गणना ने 0.7 eV (BFCO) और 0.66 eV (BMCO) के मान दिए, जो गहरे दोष स्तरों ( $E_t > 0.3$ eV) के अनुरूप हैं। इन गहरे स्तरों को शॉकली-रीड-हॉल (SRH) पुनर्संयोजन के माध्यम से ओपन-सर्किट वोल्टेज ( $V_{OC}$ ) को सीमित करने वाले प्राथमिक कारक के रूप में पहचाना गया है।
बैंड अलाइनमेंट: UPS मापों ने फर्मी स्तर, वैलेंस बैंड मैक्सिमा (VBM) और कंडक्शन बैंड मिनिमा (CBM) को निर्धारित किया, जिससे इन एब्जॉर्बर्स के लिए $\text{SnO}_2$ और Spiro-OMeTAD की उपयुक्तता की पुष्टि हुई।
कैरियर डेंसिटी: मोट-शोट्की विश्लेषण ने n-टाइप व्यवहार का खुलासा किया, जिसमें BFCO के लिए $\sim 1.59 \times 10^{17}$ $\text{cm}^{-3}$ और काफी अधिक $\sim 1.07 \times 10^{20}$ $\text{cm}^{-3}$ के लिए कैरियर डेंसिटी पाई गई।

फोटोवोल्टिक प्रदर्शन:

प्रायोगिक: निर्मित सौर सेल BFCO के लिए 1.07% और BMCO के लिए 3.56% की पावर कन्वर्जन एफिशिएंसी (PCE) प्राप्त करते हैं। BMCO डिवाइस ने उच्च कैरियर डेंसिटी, बड़े अवशोषण गुणांक और बेहतर बैंड अलाइनमेंट के कारण बेहतर प्रदर्शन दिखाया। हालांकि, दोनों डिवाइस गैर-आदर्श J-V विशेषताओं को प्रदर्शित करते हैं, जिसमें "रेड किंक्स" (red kinks) और क्रॉसओवर व्यवहार शामिल हैं, जिसे लेखक गहरे-स्तर के दोषों और नॉन-ओमिक संपर्कों (non-Ohmic contacts) के कारण बताते हैं।
सिमुलेशन: SCAPS-1D सिमुलेशन का उपयोग दोष घनत्व ( $N_t$ ), श्रृंखला प्रतिरोध ( $R_S$ ), और शंट प्रतिरोध ( $R_{SH}$ ) को अनुकूलित करके प्रायोगिक J-V वक्रों को पुनरुत्पादित करने के लिए किया गया था। सिमुलेशन ने संकेत दिया कि वर्तमान निम्न दक्षता मुख्य रूप से उच्च दोष घनत्वों ( $N_t \sim 10^{16}$ – $10^{18}$ $\text{cm}^{-3}$ ) द्वारा सीमित है।

महत्व और दावे
यह शोध स्थापित करता है कि बिसमथ-आधारित ऑक्साइड डबल-पेरोव्स्काइट्स (BFCO और BMCO) लेड-मुक्त फोटोवोल्टिक्स के लिए व्यवहार्य उम्मीदवार हैं, जो महत्वपूर्ण दृश्य प्रकाश अवशोषण और डिवाइस एकीकरण के लिए उपयुक्त बैंड अलाइनमेंट प्रदर्शित करते हैं। अध्ययन इस बात पर जोर देता है कि हालांकि वर्तमान दक्षता मध्यम है, इस सामग्री प्रणाली में अंतर्निहित क्षमता है।

लेखक दावा करते हैं कि प्रदर्शन के लिए प्राथमिक बाधा उच्च स्तर के गहरे दोष और मिश्रित कैटायन वैलेंस हैं। संख्यात्मक सिमुलेशन के माध्यम से, वे भविष्यवाणी करते हैं कि यदि दोष सांद्रता को मध्यम स्तर ( $\sim 10^{13}$ $\text{cm}^{-3}$ ) तक कम किया जा सकता है और इंटरफेस रेजिस्टेंस को अनुकूलित किया जा सकता है, तो BMCO-आधारित उपकरणों के लिए कन्वर्जन एफिशिएंसी सैद्धांतिक रूप से 20% तक पहुँच सकती है, और BFCO-आधारित उपकरण 17% तक पहुँच सकते हैं। यह कार्य प्रक्रिया अनुकूलन की आवश्यकता को रेखांकित करता है—विशेष रूप से एंटीसाइट डिफेक्ट्स और ऑक्सीजन रिक्तियों को कम करने के लिए ऑक्सीजन पार्शियल प्रेशर और कैटायन ऑर्डरिंग को नियंत्रित करना—जिससे इन गैर-विषाक्त, स्थिर सामग्रियों की उच्च-दक्षता क्षमता को अनलॉक किया जा सके।